趙晨鈞 / 工研院材化所
隨著新世代高效能元件朝向高算力、微型化及高功率密度發展，半導體產業對於散熱技術的需求日益提升，傳統熱管理方案已難以滿足系統的長期可靠性要求，因此開發具備高導熱效能與物理穩定性的熱介面材料成為先進封裝製程的關鍵。本文聚焦於先進封裝中的TIM1材料技術，探討其在高功率晶片與金屬上蓋（LID）間的熱傳導路徑優化，並詳述工研院材化所研發團隊之最新成果。透過配方設計，針對不同應用需求，設計開發出兩款針對不同應用情境的導熱凝膠，兼具高模數（約1.08 GPa）與高導熱率達35.5 W / m·K的ITRI-1，以及具備優異柔韌性與低模數（約160 kPa）、導熱係數達3.5 W / m·K的ITRI-2。其優異的可塑性可有效填補LID封裝製程中的微觀孔隙，有效減少空氣熱阻產生以及降低介面熱阻。具有低溫固化（150˚C）及良好點膠加工性的TIM1材料技術，可滿足未來HPC與電力電子市場的嚴苛散熱需求，更將協助國內產業掌握高階封裝材料的關鍵自主權。
【內文精選】
隨著GPU、HBM等高功率元件之熱通量持續提升，傳統導熱材料已逐漸難以兼顧高導熱性、低熱阻、機械柔韌性與長期可靠性等需求，因此新世代TIM1材料的開發已成為先進封裝散熱技術的重要課題。
目前常見之TIM1材料主要可分為相變材料、矽基材料、碳基材料及金屬系材料等。其中，矽基材料因同時具有良好的加工性、柔韌性及良好可靠度特性，為目前市場主要研究方向。然而，為提高導熱性能而增加高導熱填料含量時，往往伴隨材料黏度大幅上升、界面潤濕性下降及熱循環可靠度劣化等問題，因此，為了降低晶片與LID之間因熱膨脹係數差異所引發的翹曲、界面空隙導致熱阻上升問題，如何透過配方與微結構設計兼顧導熱性能、加工性、機械穩定性及長期可靠度，已成為次世代TIM1材料的核心發展方向。
工研院材化所TIM1用導熱凝膠開發現況
因應此市場需求與技術趨勢，工研院投入TIM1用導熱凝膠材料的開發，技術目標為建立兼具低溫固化（150˚C）、高導熱、低模數與低熱應力性的導熱凝膠材料，使其能充分貼合矽晶片與LID之間的微觀介面，降低接觸熱阻，並減少因兩種材料CTE不匹配所產生的結構翹曲，以及介面應力累積及剝離風險，其應用製程如圖十所示。
在材料設計方面，研發團隊由樹脂基材與無機粉體兩個方向進行整合設計。首先，透過矽樹脂分子結構改質及交聯密度調控，兼顧低模數、低熱應力、固化性與製程加工性；其次，針對無機粉體進行表面相容性改質，搭配粉體粒徑級配與堆疊結構優化，以及高剪切混料技術，提升粉體分散性與填充量，進而在材料內部建立連續的散熱路徑。
圖十一 工研院研發之導熱凝膠技術特點及規格
基於上述設計策略，工研院材化所成功開發兩款具不同模數特性的熱介面材料，如圖十一所示。ITRI-1為高模數（High Modulus）產品，透過矽樹脂結構設計與配方調控，在維持模數約1 GPa的同時，導熱係數可達35.5 W / m·K。ITRI-2則為低模數（Low Modulus）產品，模數降低到約160 kPa，導熱係數則為3.5 W / m·K，兼具良好的柔韌性、介面貼合能力與應力緩衝效果。兩款材料分別以高導熱及低模數為主要設計方向，可依封裝結構、熱流密度與熱應力條件選用，可滿足新世代先進封裝對散熱性能與封裝可靠度的不同需求 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》478期，更多資料請見下方附檔。